Appareil d'échange de chaleur. La présente invention a. pour objet un appareil d'échange de chaleur pour fluides, du type dans lequel les fluides entre lesquels l'échange de chaleur doit être effectué s'é coulent entre des surfaces d'échange de cha leur ondulées dont les saillies et les dépres sions forment une suite de chambres d'é- eha.nge de chaleur allongées dans une direc tion perpendiculaire à la direction de circu lation du fluide.
Dans les constructions d'appareils d'é change de chaleur connues jusqu'à présent, on a essayé d'obtenir le maximum possible de la vitesse avec laquelle les fluides pas saient sur la surface d'échange de chaleur en vue de réaliser un échange de chaleur élevé. Ces appareils ont toutefois le désavantage qu'ils requièrent une énergie considérable pour le maintien de la vitesse des fluides. Comme moyen ultérieur pour augmenter l'ef ficacité de l'échange de chaleur, on a disposé des chicanes ou autres obstacles sur les che mins des fluides, ou on a forcé les fluides à renverser leur direction d'écoulement en, des intervalles fréquents; tous ces dispositifs ont provoqué une augmentation de la quantité d'énergie absorbée par l'appareil d'échange de chaleur.
L'appareil d'échange de chaleur suivant l'invention est caractérisé en ce que les on dulations des surfaces d'échange de chaleur ont une forme telle que les chambres d'é change de chaleur qu'elles forment présen tent, dans un plan vertical orienté suivant la direction de circulation du fluide, une sec tion allongée, et sont reliées entre elles par des conduits restreints de forme convergente- divergente, ces conduits étant formés de fa çon que le fluide qui en émerge soit répandu et dirigé à travers la chambre d'échange de chaleur suivante et contre au moins une pa roi d'échange de chaleur de celle-ci.
Les dessins annexés représentent, à titre d'exemples, plusieurs formes d'exécution de l'objet de l'invention. La fig. 1 montre un châssis-bâti pour une première forme d'exécution de l'appareil d'é change de chaleur; La fig. 2 est une coupe transversale sui vant la ligne A-A de la fig. 1; La fig. 3 montre une plaque pour l'em ploi conjoint avec le châssis-bâti représenté à la fig. 1; La fig. 4 est une coupe verticale de la fig. 3 ;
La fig. 5 montre de plaques et châssis-bâtis en position dans l'appareil d'échange de chaleur; La fig. 6 montre, à plus grande échelle, une section par l'une des chambres, avec les conduits d'admission et de sortie afférents; La fig. 7 montre la plaque représentée à la fig. 3 et le châssis-bâti représenté à la fig. 1 en coupe transversale suivant la ligne B-B de fig. 3; La fig. 8 se rapporte à une autre forme d'exécution de l'appareil selon l'invention;
La fig. 9 se rapporte encore à une autre forme d'exécution dudit appareil; La fi-. 10 montre une forme d'exécution dans laquelle le châssis-bâti et la plaque sont combinés; La fig. 11 montre une forme d'exécution avec des plaques en fonte; Les fig. 12 et 13 montrent deux diffé rentes formes de plaques en section trans versale.
Dans toutes les figures des dessins, les organes correspondants sont désignés par les mêmes chiffres de référence.
Le châssis-bâti 1 représenté à la fig. 1 est constitué par un cadre rigide ouvert, de la forme représentée, comportant des deux côtés des canaux pour y loger de la matière de garniture élastique, telle qu'un anneau de caoutchouc 2. Des lumières d'admission et de sortie 3 et 4 sont prévues dans chaque cadre pour un fluide, conjointement avec des lumières de transfert 5 et 6, respectivement, pour le second fluide. En travers des lu mières d'admission et de sortie, on a prévu des grillés 7 disposées poux empêcher la près- sion du fluide de déformer en ces endroits les plaques minces 8 décrites plus loin.
Des pattes 9 permettent d'assembler un certain nombre de cadres 1 et de plaques ondulées 8, au moyen de boulons par exemple, en une seule unité constituant une première forme d'exécution de l'appareil d'échange de cha leur suivant l'invention.
Les plaques 8 précitées, dont une est re présentée à la fig. 3, sont constituées cha cune par une mince plaque métallique, par exemple en cuivre, cuivre étamé, acier, etc.. suivant la nature et les propriétés des fluides ou liquides. Elles- ont la même forme géné rale que le cadre 1 et possèdent quatre lu mières 10, 11, 12 et 13. Les lumières 10 et 11 sont destinées à être placées en face des lumières d'admission et de sortie 3 et 4 du cadre 1 et les lumières 12 et 13 en face des lumières de transfert 5 et 6. Si l'on désire, on peut omettre une ou plusieurs des lumiè res 10, 11, 12 et 13 suivant la direction d'écoulement que les fluides doivent prendre.
Des saillies creuses 14, ou des augets comme on les appellera par la suite, sont formés dans chaque plaque, de sorte que la section de la plaque dans le sens d'écôulement du fluide a la forme représentée à la fig. 4. Ces augets peuvent être venus de fonte, être pro duits par emboutissage ou autrement. La forme d'un auget est représentée à plus grande échelle .à la iig. 6.
Les cadres et les plaques, alternant les uns avec les autres, sont réunis ensemble comme représenté en coupe longitudinale à la fig. 5, un nombre suffisant de ces pièces étant prévu suivant les quantités de liquides en présence.
Dans cet appareil, les parties assemblées forment un certain nombre de chambres 15, allongées dans une direction perpendiculaire à la direction de circulation du fluide et présentant, dans un plan verti cal orienté suivant la direction de circula tion du fluide, une section allongée, ces chambres étant interconnectées par des con duits restreints 16 formant en quelque sorte une "gorge" entre deux chambres.
Un fluide ou liquide (par exemple de l'eau chaude) passe par un jeu de chambres et conduits en série comme indiqué par les flèches FITV (fig. 5) et l'autre fluide ou liquide (par exemple du lait) passe par les chambres et conduits de l'autre côté de la surface d'é change de chaleur formée par la plaque 8, de préférence en contre-courant comme indi qué par les flèches 31, l'échange de chaleur se produisant entre les deux fluides ou li quides qui sont maintenus complètement sé parés l'un de l'autre par les garnitures en caoutchouc 2, les petites pertes qui pourraient se produire autour des lumières s'échappant par un canal 2a formé entre les lumières et les garnitures tout autour du corps du cadre.
Afin de pouvoir appliquer cette disposi tion aux éléments adjacents aux parois d'ex trémité de l'appareil entre lesquelles les ca dres et plaques sont normalement placés., l'une des parois d'extrémité peut avoir des augets formés dans sa surface et disposés similairement aux augets dans les plaques, tandis que l'autre paroi d'extrémité com porte des saillies correspondant à la portion convexe des augets, de façon à former les dits conduits resserrés et chambres inter posées entre les surfaces d'échange de cha leur extrêmes et les parois d'extrémité. Cer taines formes d'exécution peuvent ne présen ter qu'une seule plaque d'échange de cha leur 8.
Dans ce cas, les parois d'extrémité de l'appareil coopèrent directement avec cette plaque unique et sont munies d'augets ou de saillies dans leurs surfaces comme sus- décrit. S'il est désiré toutefois de soumet tre seulement l'un des fluides au passage par lesdits conduits et les chambres, la paroi d'extrémité du côté opposé de la plaque d'é change de chaleur peut être plate.
Dans la forme d'exécution représentée aux fig. 5 et 6, le profil ou la section trans versale du conduit restreint 16 ressemble au profil d'un tube Venturi du fait que le con duit est resserré graduellement jusqu'à une section transversale minimum et s'élargit en suite de nouveau. Les relations préférées en tre les différentes dimensions d'un tube Ven turi, c'est-à-dire le degré de contraction et d'expansion et la relation de la grandeur de la largeur minimum sont bien connus. Le tube Venturi présente la propriété que la perte de pression du liquide qui le traverse est un minimum et il est admis que cette forme des conduits contribue considérable ment à n'avoir que de petites pertes de pres sion dans les fluides traversant l'appareil décrit.
Il n'est pas nécessaire que le profil du conduit 16 soit exactement celui d'un tube Venturi; il est tout à fait suffisant que la. forme du conduit s'en rapproche approxima tivement et on a trouvé que de très bons résultats peuvent être obtenus si le profil du conduit se rapproche de la forme d'un tube Venturi, c'est-à-dire s'il présente seulement une contraction graduelle et un élargissement subséquent.
Il est une autre propriété encore d'une ouverture convergente-divergente telle que susdécrite, c'est qu'elle donne une direction d'écoulement bien déterminée aux fluides passant par le conduit, ce qui est très impor tant.
La vapeur ou le jet de fluide émer geant du conduit 16 de la fig. 6 est dirigé contre la paroi 14a de la chambre 15; la paroi 14a est en contact avec l'autre fluide dans la chambre correspondante et le jet de fluide émergeant avec une vitesse considéra ble de l'ouverture 16 et frappant directement la surface 14a entraîne un échange de cha leur très efficace à travers la paroi de cham bre 14a avec l'autre fluide circulant du côté opposé de la paroi.
On a fait des essais pour montrer les lignes d'écoulement du fluide par le conduit 16 et par la chambre 15 et on a trouvé qu'il est possible, avec les dis positions décrites, si les proportions sont choi sies en rapport, de diriger le jet de fluide contre la paroi 14a et ensuite la majeure par tie du fluide contre la paroi 17, tandis que des portions du courant sont rejetées sur la paroi 14, de façon qu'il y a dans chaque chambre et pour chaque fluide au moins un point auquel un jet de fluide frappe direc tement une paroi d'échange de chaleur et que ce contact peut avoir lieu en deux points ou davantage, tandis que les aires de sta gnation sont réduites à un minimum,
de sorte qu'on obtient ainsi un échange de cha leur d'une très haute efficacité en même temps qu'une très faible perte de pression des fluides passant par l'appareil, deux avantages extrêmement désirables dans des appareils d'échange de chaleur.
La grandeur et la forme des conduits 16 dépendent de la forme des faces inclinées 17 des augets précités, et l'angle sous lequel le jet de fluide frappe la paroi ou les parois de la chambre 15 dépend également des mêmes facteurs. On a trouvé que pour réa liser un appareil d'un fonctionnement effi cace, qui peut facilement être fabriqué et nettoyé, l'angle que fait la face 17 de l'au- get avec le plan de la plaque 8 ne devrait pas être supérieur à 80 , ni inférieur à 60 .
Les faces inclinées de l'auget sont de préfé rence plates sur la plus grande partie de leur étendue, comme représenté à la fig. 6, et se perdent dans le fond de l'auget et dans la plaque par des courbes lisses de façon -à former les conduits dont la forme se rappro che de celle d'un tube Venturi comme sus- décrit.
La forme de la chambre 15 et des con duits 16 dépend en outre du rapport des di mensions
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et b désignant la dimen- sion de la chambre 15 dans le sens d'écoule ment du fluide, c la largeur des conduits resserrés 16 et a la distance entre les deux plans dans lesquels se trouvent les corps de deux plaques adjacentes 8, comme on peut le voir à la fi,-. 6. En ce qui concerne le rapport
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on a trouvé que les rapports désirables pour des liquides dont la viscosité se rapproche de celle de l'eau sont entre 4 et 5,5 en vue, d'obtenir un nettoyage facile ainsi qu'une fabrication commode concur remment avec un haut degré d'échange de chaleur et une faible perte de pression.
En ce qui concerne le rapport
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on a obtenu des résultats satisfaisants en donnant -à ce rapport la valeur 1@ jusqu'à i/@. La section de passage des conduits 16 dépend naturel lement de la nature du liquide à traiter; par exemple lorsqu'il faut traiter du moût de brasserie contenant du houblon, ou du lait qui sous l'influence de la chaleur dépose de la caséine, le conduit peut avoir une section de passage plus grande que lorsqu'il s'agit d'eau, afin d'empêcher un engorgement, tan dis que des liquides visqueux comme par exemple la crème nécessitent également un conduit relativement large.
II résulte des explications précédentes que par un sacrifice dans l'efficacité de l'échange de chaleur, la pression requise peut être variée dans une large mesure.
Dans certaines formes d'exécution, il est avantageux que les grands axes des lumières 3 et 4 soient inclinés par rapport à la direc tion des augets au lieu d'être parallèles comme représenté à la fig. 1. On assure ainsi une répartition plus uniforme du fluide sur les plaques, particulièrement dans les ap pareils où la largeur de la lumière n'atteint qu'environ la moitié de la longueur des au- gets, comme aux fig. 1 et 8. Les lumières 5 et 6 et les ouvertures 10, 11, 12 et 13 de la plaque (fig. 3) sont similairement inclinées.
A titre de variante, une chicane oblique peut être interposée entre les lumières et le pre mier auget. Celle-ci peut avoir la forme d'une étampe sur la plaque ou d'une barre sur la plaque ou sur le cadre.
La fig. 7 montre l'assemblage des pla ques et des cadres en coupe suivant une ligne transversale à la direction d'écoulement du fluide. Cette figure représente la forme des extrémités des augets 14. Il est désirable que les extrémités 18 des augets, qui sont parallèles à la direction d'écoulement des fluides, aient sensiblement le même angle d'inclinaison par rapport au plan de la pla que que les faces 17 de l'auget transversales à la direction d'écoulement du fluide, afin de réduire à un minimum les pertes de fluide par les augets et par l'espace 19 entre l'ex trémité d'un auget et le cadre adjoint, sans toutefois provoquer de difficultés inadmissi- bles pour le nettoyage des augets.
L'arête intérieure du cadre peut également être cou pée en biais de façon à avoir la forme de l'aire 19 représentée à la fig. 7 et à réduire ainsi à un minimum les pertes en remplissant cet espace qui serait autrement ouvert.
La fig. 8 montre une autre forme d'exé cution de l'appareil dans laquelle le fluide passe sur la plaque suivant un chemin en forme de<B>U.</B> Les augets sont disposés en deus groupes côte à côte, comme représenté, et le fluide est amené successivement sur les deux groupes par une nervure saillante 20 qui s'étend sur le cadre principal 1 et sé pare les deux groupes d'augets en laissant un interstice 21 pour que le fluide puisse passer d'un groupe à l'autre. Des garnitures de caoutchouc peuvent être prévues sur la nervure 20 ainsi que sur le cadre 1. Au lieu de prévoir une nervure saillante sur le cadre pour guider le fluide, celle-ci peut être rem placée par une étampe ou une rainure élevée formée dans la plaque et occupant la posi tion de la nervure.
Le sommet de la rainure peut avoir un canal pour y insérer une gar niture.
La fig. 9 montre une autre forme d'exé cution dans laquelle les augets sont disposés en trois groupes, des nervures 20 s'étendant sur le cadre forcent le fluide à faire trois passages sur la plaque entre les lumières d'admission et de sortie. Si l'on désire, les nervures 20 peuvent être remplacées par des rainures dans les plaques comme décrit pour la fi-. 8. Les lumières 3a, 4a, 5a, 6a ont de préférence la même longueur dans la direc tion de leur grand axe que la longueur des augets, comme représenté, afin d'assurer une répartition uniforme du fluide sur les pla ques et de réduire autant que possible les pertes de pression à l'entrée et à la sortie de la plaque. Il va de soi qu'un nombre arbi traire de ces inversions d'écoulement peut être adopté.
La fig. 10 se rapporte à une forme d'exé cution dans laquelle chaque cadre 23 est so lidaire d'une plaque 8 ou soudé sur celle-ci. Ceci permet de réduire à la moitié le nom bre nécessaire de garnitures de caoutchouc et peut être avantageux dans certaines cir constances. Si on le désire, le cadre supé rieur 23 de la fig. 10 peut être considéré comme renversé et fixé à la plaque infé rieure. Les cadres 23 seraient alors fixés des deux côtés d'une même plaque, tandis que les bords de plaques alternantes seraient plats.
A titre de variante, la section en ca nal du cadre 23 peut être remplacée par deux ailes parallèles fixées à la plaque pour for mer un canal pour la garniture, ou la garni ture peut être fixée directement au bord de la plaque en omettant l'une des ailes ou les deux, cette forme d'exécution permettant de réduire encore davantage l'importance de la séparation des plaques.
La fig. 11 représente une forme d'exécu tion comprenant des plaques en fonte, l'em ploi des cadres étant éliminé. Les plaques 24 sont ici venues de fonte avec des nervures 25 saillant transversalement à la direction d'écoulement du fluide, de façon à former, lorsque les plaques sont reliées ensemble, des chambres 15 reliées entre elles par des con duits 16 ayant approximativement la forme d'un tube Venturi comme dans le cas de la fig. 5. Si on le désire, toutefois, la disposi tion des nervures peut varier sur les deux côtés de la plaque.
Par exemple, des ner vures coopérantes sur les deux plaques adja centes peuvent être espacées de façon que les chambres d'un côté de la plaque aient des dimensions différentes de celles de l'autre côté, ou la direction d'écoulement des fluides sur les deux côtés de la plaque n'a pas be soin d'être nécessairement parallèle; par exemple, les deux fluides peuvent couler dans des directions perpendiculaires l'une à l'au tre, des nervures étant arrangées en consé quence. Les plaques comportent des lumières d'admission, de sortie et de transfert pour les fluides comme dans les précédentes for mes d'exécution.
Les fig. 12 et 13 se rapportent à deux autres formes d'exécution. Dans la forme d'exécution de la fig. 12, les augets ont une section transversale en forme de dent de scie, l'angle 26 étant approximativement de 90 ou un peu plus grand.
Dans la forme d'exé cution de la fig. 13, la forme des plaques est établie de façon à former des conduits à contraction avec la plaque adjacente assem blée. Il en résulte que le jet de fluide émer geant du conduit 28 par exemple est dirigé contre les parois d'échange de chaleur 29 de la chambre suivante et le jet du second fluide émergeant du conduit 30 est égale ment dirigé contre l'autre côté de la plaque 29, de sorte qu'on obtient ainsi un boni échange de chaleur entre les deux fluides avec une très faible perte de pression.
Dans une autre forme d'exécution, qui peut être pratique dans certaines circonstan ces, les surfaces d'échange de chaleur sont obtenues en courbant ou repliant une plaque métallique sur la largeur entière de la pla que de façon à obtenir la section transver sale de la fig. 4 et en soudant ensuite, sur les côtés, des plaques pour fermer les extré mités 1.8 des augets 14. Si plusieurs plaques sont assemblées pour former un appareil d'é change de chaleur, une plaque fixée au tra vers de chaque côté servira à maintenir le groupe entier de plaques en bonne position.
A titre de variante, le bord de la plaque d'échange de chaleur formé comme ci-dessus ou comme à la fig. 3 peut être plié vers le haut et soudé sur la plaque suivante pour former un joint étanche aux fluides.
De plus, dans chacune des formes d'exé cution susdécrites, des petites dents ou sail lies peuvent être prévues sur les plaques par intervalles le long des côtés ou fonds des augets 14. Ces dents ou saillies toucbent les plaques adjointes et servent ,à maintenir l'es pacement correct des plaques.. Elles empê chent les plaques de se courber ou de se gon doler sous l'influence d'un excédent de pres sion sur un côté, ce qui changerait les dimen sions des conduits restreints 16. Lorsqu'on applique cette disposition dans la forme d'ecècution décrite en dernier lieu, l'emploi de cadres séparés pour l'espacement des pla ques n'est pas nécessaire.
Dans certaines formes d'exécution, lés surfaces d'échange de chaleur peuvent être autres que planes, par exemple cylindriques ou coniques.